Способ поиска неисправного блока в непрерывной динамической системе на основе функции чувствительности Российский патент 2020 года по МПК G05B23/02 

Изобретение относится к области контроля и диагностирования систем автоматического управления и их элементов.

Известен способ поиска неисправного блока в непрерывной динамической системе на основе введения пробных отклонений (Способ поиска неисправного блока в непрерывной динамической системе на основе введения пробных отклонений: пат. 2676365 Рос. Федерация: МПК⁷ G05B 23/02 (2006.01) / Шалобанов С.С. - №2018107521; заявл. 28.02.2018; опубл. 28.12.2018, Бюл. №1).

Недостатком этого способа является то, что он использует задание величин относительных отклонений параметров передаточных функций для моделей с пробными отклонениями.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является способ поиска неисправного блока в непрерывной динамической системе на основе функции чувствительности (Способ поиска неисправного блока в непрерывной динамической системе на основе функции чувствительности: пат. 2680928 Рос. Федерация: МПК⁷ G05B 23/02 (2006.01) / Шалобанов С.В., Шалобанов С.С. - №2018111888; заявл. 02.04.2018; опубл. 28.02.2019, Бюл. №7).

Недостатком этого способа является то, что он предполагает использование сложных диагностических признаков наличия дефекта в структурном блоке системы.

Технической задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является уменьшение аппаратных и программных затрат, связанных с реализацией вычисления нормированных диагностических признаков наличия дефекта.

Поставленная задача достигается тем, что предварительно регистрируют реакцию заведомо исправной системы ƒ_{j ном}(t), j=1, …, k на интервале t∈[0, T_K] в k контрольных точках, и определяют интегральные оценки выходных сигналов F_{j ном}(α), j=1, …, k системы, для чего в момент подачи входного сигнала на вход системы с номинальными характеристиками одновременно начинают интегрирование сигналов системы управления в каждой из k контрольных точек с весами е^-αt где , путем подачи на первые входы k блоков перемножения сигналов системы управления, на вторые входы блоков перемножения подают экспоненциальный сигнал е^-αt, выходные сигналы k блоков перемножения подают на входы k блоков интегрирования, интегрирование завершают в момент времени Т_к, полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов F_{j ном}(α), j=1, …, k регистрируют, фиксируют число m блоков системы, определяют интегральные оценки выходных сигналов модели для каждой из k контрольных точек и каждой из m моделей с функциями структурной чувствительности для каждого из m блоков динамической системы, для чего соединяют связью две модели: на вход первой модели подают тестовый сигнал x(t), выходом первой модели определяют вход контролируемого блока, соединяют выход первой модели со входом второй, входом второй модели становится выход контролируемого блока, находят интегральные оценки выходных сигналов системы для параметра α и входного сигнала x(t), полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов для каждой из k контрольных точек и каждой из m совмещенных моделей со структурной функцией чувствительности V_ji(α), j=1, …, k; i=1, …, m регистрируют, определяют знаки интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате структурной функции чувствительности каждого из соответствующих блоков sign(V_ji(α)), j=1, …, k; i=1, …, m, замещают систему с номинальными характеристиками контролируемой, на вход системы подают аналогичный входной сигнал x(t), определяют интегральные оценки сигналов контролируемой системы для k контрольных точек F_j(α), j=1, …, k для параметра интегрирования α, определяют отклонения интегральных оценок сигналов контролируемой системы для k контрольных точек от номинальных значений ΔF_j(α)=F_j(α)-F_{j ном}(α), j=1, …, k, определяют знаки отклонений интегральных оценок выходных сигналов контролируемой системы для k контрольных точек от номинальных значений sign(ΔF_j(α)), j=1, …, k, затем производят операцию попарного сравнения элементов вектора знаков интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате структурной функции чувствительности каждого из соответствующих блоков из соотношения sign(V_ji(α)), j=1, …, k; i=1, …, m и вектора знаков отклонений интегральных оценок sign(ΔF_j(α)), j=1, …, k по формуле:

Поскольку операция есть операция эквивалентности, то выражение (1) принимает значение 1 только в том случае, когда все элементы векторов sign(V_ji(α)), j=1, …, k. и sign(ΔF_j(α)), j=1, …, k для каждой контрольной точки попарно равны.

Затем производят операцию попарного сравнения элементов инверсии вектора структурной функции чувствительности для i-го блока inv(sign(V_ji(α))), j=1, …, k; i=1, …, m и вектора знаков отклонений интегральных оценок sing(ΔF_j(α)), j=1,…, k по формуле:

Поскольку операция есть операция эквивалентности, то выражение (2) принимает значение 1 только в том случае, когда все элементы векторов inv(sign(V_ji(α))), j=1, …, k. и sign(ΔF_j(α)), j=1, …, k для каждой контрольной точки попарно равны.

Затем производят вычисление бинарных диагностических признаков из соотношения:

Первое слагаемое формулы (3) принимает значение 1, если знаки отклонений интегральных оценок выходных сигналов контролируемой системы от номинальных значений совпадают с элементами вектора знаков отклонений интегральных оценок выходных сигналов модели, полученных в результате функции чувствительности разных структурных блоков, второе слагаемое формулы (3) принимает значение 1, если знаки отклонений интегральных оценок выходных сигналов контролируемой системы от номинальных значений совпадают с инвертированными элементами вектора знаков отклонений интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате функции чувствительности разных структурных блоков. Инверсия вектора знаков отклонений интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате функции чувствительности разных структурных блоков учитывает возможность проявления дефекта одного и того же блока как со знаком плюс (например увеличение значения параметра блока), так и со знаком минус (например уменьшение значения параметра блока).

По единичному значению бинарного диагностического признака определяют структурный блок с дефектом.

Таким образом, предлагаемый способ поиска структурного дефекта сводится к выполнению следующих операций:

1. В качестве динамической системы рассматривают систему, состоящую из произвольно соединенных динамических блоков, с количеством рассматриваемых блоков т.

2. Предварительно определяют время контроля Т_К≥Т_ПП, где Т_ПП - время переходного процесса системы. Время переходного процесса оценивают для номинальных значений параметров динамической системы.

3. Определяют параметр интегрального преобразования сигналов из соотношения .

4. Фиксируют число контрольных точек k.

5. Предварительно определяют векторы знаков отклонений интегральных оценок выходных сигналов модели sign(V_i(α)), i=1, …, m, полученные в результате интегрирования функций чувствительности i-го блока каждого из m блоков для номинальных значений параметров передаточных функций блоков и определенного выше параметра α, для чего выполняют пункты 6-10.

6. Подают входной сигнал x(t) (единичный ступенчатый, линейно возрастающий, прямоугольный импульсный и т.д.) на вход системы управления с номинальными характеристиками. Принципиальных ограничений на вид входного тестового воздействия предлагаемый способ не предусматривает.

7. Регистрируют реакцию системы ƒ_{j ном}(t), j=1, …, k на интервале t∈[0, T_K] в k контрольных точках и определяют интегральные оценки выходных сигналов F_{j ном}(α), j=1, …, k системы. Для этого в момент подачи входного сигнала на вход системы управления с номинальными характеристиками одновременно начинают интегрирование выходных сигналов системы управления в каждой из k контрольных точек с весами е^-αt, где , для чего сигналы системы управления подают на первые входы к блоков перемножения, на вторые входы блоков перемножения подают экспоненциальный сигнал е^-αt, выходные сигналы k блоков перемножения подают на входы k блоков интегрирования, интегрирование завершают в момент времени Т_к, полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов F_{j ном}(α), j=1, …, k регистрируют.

8. Определяют интегральные оценки выходных сигналов модели чувствительности для каждой из k контрольных точек, полученные в результате использования структурной функции чувствительности каждого из m блоков, для чего поочередно для каждого блока динамической системы соединяют связью две модели: на вход первой модели подают тестовый сигнал x(t), выходом первой модели становится вход контролируемого блока, соединяют выход первой модели со входом второй, входом второй модели становится выход контролируемого блока, и выполняют пункты 6 и 7 для одного и того же входного сигнала x(t). Полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов для каждой из k контрольных точек и каждой из m совмещенных моделей со структурной функцией чувствительности V_ji(α), j=1, …, k; i=1, …, m регистрируют.

9. Определяют знаки интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате использования структурной функции чувствительности по формуле

sign(V_ji(α)), j=1, …, k; i=1, …, m.

10. Замещают систему с номинальными характеристиками контролируемой. На вход системы подают аналогичный входной сигнал x(t).

11. Определяют интегральные оценки выходных сигналов контролируемой системы для k контрольных точек F_j(α), j=1, …, k, осуществляя операции, описанные в пунктах 6 и 7 применительно к контролируемой системе.

12. Определяют отклонения интегральных оценок выходных сигналов контролируемой системы для k контрольных точек от номинальных значений ΔF_j(α)=F_j(α)-F_{j ном}(α), j=1, …, k.

13. Определяют знаки отклонений интегральных оценок выходных сигналов контролируемой системы для k контрольных точек от номинальных значений sign(ΔF_j(α)), j=1, …, k.

14. Производят операцию попарного сравнения элементов вектора знаков интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате структурной чувствительности i-го блока sign(V_ji(α)), j=1, …, k; i=1, …, m и вектора знаков отклонений интегральных оценок sign(ΔF_j(α)), j=1, …, k по формуле:

15. Производят операцию попарного сравнения элементов инверсии вектора знаков интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате структурной функции чувствительности i-го блока inv(sign(V_ji-(α))), j=1, …, k; i=1, …, m и вектора знаков отклонений интегральных оценок sign(ΔF_j(α)), j=1, …, k по формуле:

16. Производят вычисление бинарных диагностических признаков из соотношения:

17. По единичному значению бинарного диагностического признака определяют структурный блок с дефектом.

Рассмотрим реализацию предлагаемого способа поиска дефектного блока для системы, структурная схема которой представлена на рисунке (см. фиг. Структурная схема объекта диагностирования).

Передаточные функции блока 1: ; блока 2: ; блока 3: , номинальные значения параметров: Т₁=5 с; k₁=1; k₂=1; Т₂=1 с; k₃=1; Т₃=5 с. При поиске одиночного дефекта в виде отклонения постоянной времени Т₁=4 с (дефект №1) в первом блоке путем подачи ступенчатого тестового входного сигнала единичной амплитуды и интегральных преобразований сигналов для параметра α=0.5 и Т_к=10 с получены значения бинарных диагностических признаков наличия дефекта по формуле (3) при использовании трех контрольных точек (КТ1, КТ2 и КТ3), расположенных на выходах блоков. Дефект, вычисленный по формуле (3), дает следующие значения бинарных диагностических признаков: J₁=1;J₂=0;J₃=0.

Моделирование процессов поиска дефектов во втором и третьем блоках для данного объекта диагностирования, при том же параметре интегрирования α и при единичном ступенчатом входном сигнале дает следующие значения бинарных указателей:

При наличии дефекта в блоке №2 (в виде уменьшения параметра Т₂ на 20%, дефект №2): J₁=0, J₂=1; J₃=0.

При наличии дефекта в блоке №3 (в виде уменьшения параметра Т₃ на 20%, дефект №3): J₁=0; J₂=0; J₃=1.

Единичное значение бинарного диагностического признака во всех случаях правильно определяет дефектный блок.

Изобретение относится к диагностике систем автоматического управления. В способе поиска неисправного блока в непрерывной динамической системе на основе функции чувствительности определяют знаки интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате структурной функции чувствительности каждого из соответствующих блоков. Попарно сравнивают элементы вектора знаков отклонений интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате структурной функции чувствительности и вектора знаков отклонений интегральных оценок. Попарно сравнивают элементы инверсии вектора знаков интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате структурной функции чувствительности и вектора знаков отклонений интегральных оценок. Вычисляют бинарные диагностические признаки, по единичному значению которого определяют структурный блок с дефектом. Снижаются аппаратные и программные затраты. 1 ил.

Способ поиска неисправного блока в непрерывной динамической системе на основе функции чувствительности, основанный на том, что фиксируют число блоков m, входящих в состав системы, определяют время контроля Т_К≥Т_ПП, где Т_ПП - время переходного процесса системы, определяют параметр интегрального преобразования сигналов из соотношения , используют тестовый сигнал на интервале t∈[0,T_К], в качестве динамических характеристик системы используют интегральные оценки сигналов, полученные для вещественных значений параметра α, фиксируют число k контрольных точек системы, регистрируют реакцию объекта диагностирования и реакцию заведомо исправной системы ƒ_{j ном}(t), j=1, …, k, на интервале t∈[0,Т_K] в k контрольных точках, определяют интегральные оценки выходных сигналов F_{j ном}(α), j=1, …, k, исправной системы, для чего в момент подачи тестового сигнала на вход системы с номинальными характеристиками одновременно начинают интегрирование выходных сигналов системы управления в каждой из k контрольных точек с весами е^-αt, где , путем подачи на первые входы k блоков перемножения выходных сигналов системы управления, на вторые входы блоков перемножения подают экспоненциальный сигнал е^-αt, выходные сигналы k блоков перемножения подают на входы k блоков интегрирования, интегрирование завершают в момент времени Т_к, полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов F_{j ном} (α), j=1, …, k, регистрируют, замещают систему с номинальными характеристиками контролируемой, на вход системы подают аналогичный тестовый сигнал x(t), определяют интегральные оценки выходных сигналов контролируемой системы для k контрольных точек F_j(α), j=1, …, k, для параметра α, определяют отклонения интегральных оценок выходных сигналов контролируемой системы для k контрольных точек от номинальных значений ΔF_j(α)=F_j(α)-F_{j ном}(α), j=1, …, k, определяют интегральные оценки выходных сигналов модели для каждой из k контрольных точек, полученные в результате использования функции структурной чувствительности каждого из m блоков динамической системы, для чего соединяют связью две модели: на вход первой модели подают тестовый сигнал x(t), выходом первой модели становится вход контролируемого блока, соединяют выход первой модели со входом второй, входом второй модели становится выход контролируемого блока, и находят интегральные оценки выходных сигналов системы для параметра α и входного сигнала x(t), полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов для каждой из k контрольных точек и каждой из m совмещенных моделей со структурной функцией чувствительности V_ji(α), j=1, …, k; i=1, …, m, регистрируют, вычисляют диагностические признаки наличия дефекта, отличающийся тем, что определяют знаки интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате структурной функции чувствительности каждого из соответствующих блоков sign(V_ji(α)), j=1, …, k; i=1, …, m, производят операцию попарного сравнения элементов вектора знаков отклонений интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате структурной функции чувствительности i-го блока sign(V_ji(α)), j=1, …, k; i=1, …, m, и вектора знаков отклонений интегральных оценок по формуле ,

производят операцию попарного сравнения элементов инверсии вектора знаков интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате структурной функции чувствительности i-го блока inv(sign(V_ji(α))), j=1, …, k; i=1, …, m, и вектора знаков отклонении интегральных оценок по формуле

,

производят вычисление бинарных диагностических признаков:

, по единичному значению бинарного диагностического признака определяют структурный блок с дефектом.